自動化集裝箱輪胎吊定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

楊育青

（上海振華重工股份有限公司，上海 200125）

引言

近年來，隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與港口融合的不斷深入，建設(shè)具有穩(wěn)定高效、安全可靠、節(jié)能環(huán)保、減員增效等優(yōu)勢的自動化集裝箱碼頭正成為國內(nèi)各大樞紐港的重要布局和發(fā)展方向[1]。目前我國已建成并投入運營的多個自動化集裝箱碼頭的作業(yè)效率已達到甚至超過了傳統(tǒng)集裝箱碼頭，標志著我國集裝箱碼頭的建設(shè)和運營進入了一個全新的高質(zhì)量發(fā)展階段，促進港口走向智能化。

目前已投運的自動化集裝箱碼頭，堆場主要采用軌道式集裝箱龍門起重機（以下簡稱“軌道吊”），其具有機構(gòu)運行平穩(wěn)、定位精度高、行走速度快、總體作業(yè)效率高等優(yōu)點，但需配置軌道基礎(chǔ)，另外由于軌道吊不能換場作業(yè)使得總體配置設(shè)備數(shù)量多，導(dǎo)致工程造價高。

而輪胎式集裝箱龍門起重機（以下簡稱輪胎吊）由于轉(zhuǎn)場作業(yè)靈活、造價經(jīng)濟實惠，成為傳統(tǒng)集裝箱碼頭堆場占比90 %以上的“主力”機型[2]。但由于其輪胎式的大車驅(qū)動方式及人機交互作業(yè)的操作特點，使得輪胎吊實現(xiàn)自動化的難度遠大于軌道吊。近年來隨著自動化技術(shù)，尤其是定位系統(tǒng)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和突破，使得自動化輪胎吊在定位精度、作業(yè)效率、安全可靠性等方面不斷提升，逐步應(yīng)用在國內(nèi)外大型自動化集裝箱碼頭并取得一定成效。

1 自動化輪胎吊控制系統(tǒng)構(gòu)成

自動化輪胎吊控制系統(tǒng)接收“堆場管理系統(tǒng)”的自動運行指令并反饋指令執(zhí)行情況，實時采集、檢測設(shè)備各機構(gòu)的運行狀態(tài)，并根據(jù)自動運行指令及檢測系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)，生成自動運行流程，控制各機構(gòu)自動運行。系統(tǒng)包括運動控制、疊箱控制、安全保護和異常處理等模塊（圖1），其中定位系統(tǒng)、大車運行、安全保護、通訊技術(shù)和人機交互流程管理等是其有別于自動化軌道吊的主要技術(shù)，而定位系統(tǒng)為關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 自動化輪胎吊控制系統(tǒng)模塊

2 定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在堆場內(nèi)，每個堆垛集裝箱之間的間距為400～500 mm。在輪胎吊自動化作業(yè)過程中，為保證相鄰兩列集裝箱不會因疊箱的偏移造成碰撞，疊箱精度必須達到“首層箱開底精度偏差不大于35 mm；箱與箱之間疊箱精度偏差不大于35 mm；整列疊箱精度偏差不大于80 mm”的技術(shù)指標。定位系統(tǒng)是輪胎吊實現(xiàn)自動疊箱的關(guān)鍵技術(shù)，其通過起升、小車、大車定位子系統(tǒng)實現(xiàn)X、Y、Z三個方向的初步定位，再通過集裝箱定位子系統(tǒng)實現(xiàn)精確定位。

2.1 起升定位子系統(tǒng)

與自動化軌道吊類似，輪胎吊起升的位置反饋采用絕對位置編碼器進行位置計算的方式，定位精度要求偏差不大于20 mm。安裝在起升卷筒末端的絕對位置編碼器在起升機構(gòu)運行過程中記錄卷筒轉(zhuǎn)動的角度，換算成吊具位置，并在卷筒末端安裝凸輪限位，使用其中一個固定位置對絕對位置編碼器進行同步校驗。

為增加系統(tǒng)的可靠性，還需結(jié)合增量型編碼器，通過記錄電機的轉(zhuǎn)動角度，計算運行距離的方式換算吊具位置，該結(jié)果與采用絕對位置編碼器方式計算的結(jié)果進行對比校驗，若其偏差超過一定范圍，則需停機檢查起升定位系統(tǒng)。

起升系統(tǒng)精確定位控制是在精確的位置反饋基礎(chǔ)上，采用逐步逼近目標位置（smart slowdown）的控制方式實現(xiàn)的。

2.2 小車定位子系統(tǒng)

輪胎吊的小車定位精度要求為偏差不大于20 mm，小車位置反饋采用線性編碼器進行位置計算的方式。編碼器的位置讀取裝置安裝在小車架上，磁尺（圖2）安裝在小車軌道梁上，在小車運行過程中記錄小車位置，并在小車行程的某一固定位置（建議在減速區(qū)）安裝限位，對編碼器讀數(shù)進行校驗，確保計算精度。

為增加系統(tǒng)的可靠性，還需在小車車輪側(cè)安裝絕對位置編碼器，采用計算運行距離的方式換算小車位置，該結(jié)果與采用線性編碼器方式的計算結(jié)果進行對比校驗，若其偏差超過一定范圍，則需停機檢查小車定位系統(tǒng)。

小車系統(tǒng)精確定位是在精確的位置反饋基礎(chǔ)上，采用逐步逼近目標位置（smart slowdown）的控制方式實現(xiàn)的。

圖2 磁尺應(yīng)用

2.3 大車定位子系統(tǒng)

大車定位及實現(xiàn)自動糾偏是輪胎吊定位的難點之一，大車定位精度要求為偏差不大于20 mm。實現(xiàn)大車位置反饋方式有多種，較為成熟的解決方案有：

1）視覺圖像自動定位裝置，由安裝于同側(cè)前后兩條門腿上的智能視覺傳感器（智能相機）與安裝在同一側(cè)支架上（如滑觸線支架）的反光條碼（圖3）組成，通過視覺圖像識別技術(shù)檢測相機與反光條碼的距離計算大車偏移信息并識別出反光條碼的數(shù)據(jù)計算大車位置，為大車定位及糾偏控制提供依據(jù)[3]。

2）基于磁釘自動定位裝置。由安裝于同側(cè)前后門腿之間的定位天線，以及沿大車運行軌跡、預(yù)埋于天線中心線正下方地面內(nèi)的磁釘（圖4）組成，利用電磁感應(yīng)的原理測量磁釘位置及與天線中心線的偏差，為大車定位及糾偏控制提供依據(jù)。

圖3 基于視覺圖像的大車自動定位子系統(tǒng)

圖4 基于磁釘?shù)拇筌囎詣佣ㄎ蛔酉到y(tǒng)

單側(cè)位置反饋系統(tǒng)能夠滿足遠程操控及半自動運行的需要，但輪胎吊結(jié)構(gòu)的柔性度高，容易發(fā)生整機扭轉(zhuǎn)的情況，此時雙側(cè)的位置反饋系統(tǒng)是高定位精度的必要條件，根據(jù)堆場特性及不同的用戶需求，這兩種位置反饋方式有不同的組合模式：

a）采用一側(cè)以視覺定位為主，另一側(cè)在貝位中心安裝磁釘為輔的定位模式，可大大提高輪胎吊大車定位精度，這種模式適用于一側(cè)有滑觸線支架的應(yīng)用場景，可在保證精度的情況下降低成本，滑觸線系統(tǒng)上還可以安裝激光傳感器，采用視覺糾偏與激光測距糾偏相結(jié)合的方式，增加糾偏系統(tǒng)的魯棒性；

b）采用兩側(cè)均為預(yù)埋磁釘?shù)姆绞剑瑑蓚?cè)的磁釘系統(tǒng)為雙軸輸出（即輸出X、Y軸距離），安裝間距約為1.3 m。相對于視覺定位設(shè)施，磁釘定位設(shè)施的成本略高。

大車精確定位的控制是在精準位置反饋的基礎(chǔ)上采用自動化糾偏技術(shù)及逐步逼近目標位置的控制方式實現(xiàn)的。在自動化輪胎吊起動及停止過程中，設(shè)備也必須處于糾偏控制狀態(tài)中。

對于輪胎吊過街時的定位及糾偏，通常采用預(yù)埋磁釘進行位置檢測的方案。在過街通道安裝磁釘，使輪胎吊在過街時便能得到大車左右兩側(cè)的偏移量，實現(xiàn)大車自動糾偏?；诎踩目紤]，建議司機在遠程操作中心監(jiān)控現(xiàn)場情況，通過操作大車手柄，實現(xiàn)遠程大車過街。

2.4 集裝箱定位子系統(tǒng)

上述三個定位子系統(tǒng)是輪胎吊實現(xiàn)遠程操控及半自動的基本條件，而集裝箱定位子系統(tǒng)是實現(xiàn)輪胎吊自動化作業(yè)的核心技術(shù)，目前主要采用激光及圖像處理相結(jié)合的技術(shù)實現(xiàn)其精準定位。

集裝箱定位子系統(tǒng)由三個部分組成：

1）吊具檢測系統(tǒng)（圖5），該系統(tǒng)由安裝在吊具上架上的結(jié)構(gòu)光源以及安裝于小車架底部的相機組成，利用圖像識別技術(shù)實時檢測當前吊具的姿態(tài)，確定吊具相對于小車架中心位置的左右偏移量及旋轉(zhuǎn)角度。

2）目標檢測系統(tǒng)（圖6），該系統(tǒng)由安裝在小車架底部的兩套3D激光掃描儀組成，利用激光識別測距技術(shù)獲取集裝箱的姿態(tài)信息，確定集裝箱相對于小車架中心位置的左右偏移量及旋轉(zhuǎn)角度。

3）著箱確認系統(tǒng)，該系統(tǒng)由安裝于吊具周圍的6個高精度單點激光器組成，用于快速確認箱與箱之間的疊箱精度是否滿足要求。

當輪胎吊三大機構(gòu)運行到位后，吊具已經(jīng)在目標集裝箱的上方，此時TDS系統(tǒng)檢測集裝箱姿態(tài)，SDS系統(tǒng)輸出吊具的姿態(tài)，通過數(shù)據(jù)的融合和處理，當SDS、TDS系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)在同一坐標系統(tǒng)中時，參照集裝箱的偏移量，在起升下降的過程中，同步控制吊具系統(tǒng)的位移及旋轉(zhuǎn)，在吊具姿態(tài)與目標集裝箱姿態(tài)吻合后控制起升下降，疊箱完成后，LCS系統(tǒng)迅速檢測確認，從而實現(xiàn)精準的堆場內(nèi)全自動疊箱。

此外，由于八輪、堆六過一的輪胎吊穩(wěn)定性較差，X、Y、Z方向的初步定位精度遠不及軌道吊，因此在不檢測地面狀況的情況下，試圖僅僅通過“盲放”的方式來實現(xiàn)自動開底（即：首層箱自動疊放）是困難的。目前情況下，經(jīng)過實踐驗證可行的方式是在地面設(shè)定一定的標志物或標記，通過TDS檢測這些標志，結(jié)合SDS系統(tǒng)來實現(xiàn)地面首層集裝箱的精準放置，以實現(xiàn)輪胎吊在堆場內(nèi)的全自動開底。

圖5 SDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖6 TDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.5 定位精度與效率平衡

自動化輪胎吊應(yīng)確保安全運行且效率滿足裝卸船時的峰值要求。當疊箱精度過低時，堆場存在箱子碰撞甚至傾覆的風險；定位精度過高，將導(dǎo)致重放概率和定位控制時間增加，從而嚴重影響裝卸效率；采用著箱前人工確認的方式同樣會因過多的人工介入嚴重影響效率，更無法通過自動化減少人工投入。目前堆場的運行效率一般要求達到15～18 moves/h，且此效率需與集卡調(diào)度和操作員的熟練程度等緊密相關(guān)。

3 工程項目應(yīng)用

目前自動化輪胎吊已逐步在國內(nèi)外幾個大型自動化集裝箱碼頭包括寧波舟山港梅東公司、和黃泰國藍采幫港等得到成功應(yīng)用，裝卸作業(yè)過程中定位系統(tǒng)運行平穩(wěn)、定位精度達到預(yù)期目的，從而保證了整機穩(wěn)定的作業(yè)效率，見表1。

表1 自動化輪胎吊應(yīng)用項目情況

4 結(jié)語

輪胎吊作為集裝箱碼頭堆場裝卸作業(yè)的主力機型，實現(xiàn)自動化的意義重大，除了新建碼頭外，傳統(tǒng)輪胎吊的自動化改造需求也很大。輪胎吊自動定位系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)為輪胎吊應(yīng)用于自動化集裝箱碼頭的堆場作業(yè)奠定了堅實基礎(chǔ)。

另外隨著未來新型信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和人工智能、深度算法等技術(shù)的日趨成熟，輪胎吊將不斷實現(xiàn)裝卸作業(yè)的高度自主化、智能化。